интенсивность теплоотдачи в зоне испарения двухфазного

МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
УДК 621.565.83
ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООТДАЧИ В ЗОНЕ ИСПАРЕНИЯ
ДВУХФАЗНОГО ТЕРМОСИФОНА
К. т. н. В. Ю. Кравец, к. т. н. В. И. Коньшин, д. т. н. Е. Н. Письменный
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»
Украина, г. Киев
Kravetz_kpi@ukr.net
Приводятся экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи в зоне испарения закрытого двухфазного термосифона с внутренним диаметром 5мм и длиной 700мм. Показано влияние
геометрических и режимных параметров на теплопередающие характеристики термосифона.
Ключевые слова: Термосифон, коэффициент теплоотдачи, зона испарения.
Системы охлаждения на основе испарительно-конденсационного цикла нашли широкое применение в различных устройствах теплообменного оборудования. Одними из эффективных элементов
систем охлаждения, использующих принцип испарительно-конденсационного цикла, в настоящее
время являются замкнутые двухфазные термосифоны различных конструкций [1—3]. Возврат конденсата в них обеспечивается в основном за счет сил гравитации, поэтому основное применение они
нашли при работе в вертикальном положении или под некоторым углом к горизонту. Преимущества
их по сравнению с другими видами элементов систем охлаждения заключаются в высоких теплопередающих способностях и в простоте изготовления. Однако на теплопередающие характеристики
термосифонов влияет большое количество факторов. Это, прежде всего, общая длина, внутренний
диаметр, длина зон нагрева (испарения) и конденсации, количество заправленного теплоносителя и
его теплофизические свойства, условия охлаждения зоны конденсации. Также в термосифонах без
вставок (ординарные термосифоны) процесс транспорта теплоты сопровождается периодическими
выбросами теплоносителя из зоны нагрева в зону конденсации и связанными с этим температурными
пульсациями стенок термосифона [4—6].
Основным критерием эффективной работы термосифонов является низкое термическое сопротивление R при максимальной передаваемой мощности Qmax. Величина R зависит от интенсивности
теплоотдачи в зонах испарения и конденсации. Основной вклад при этом вносит зона испарения, где
происходит переход теплоносителя из жидкой в паровую фазу. Процесс пузырькового кипения отличается высоким коэффициентом теплоотдачи, однако с изменением внутреннего диаметра термосифонов условия парообразования не могут быть одинаковыми. Степень заполнения термосифона теплоносителем также влияет на интенсивность теплоотдачи в зоне испарения. При этом, если учитывать периодические выбросы теплоносителя в зону конденсации, коэффициенты теплоотдачи, соответственно, будут изменяться во времени.
Очевидно что определение интенсивности теплоотдачи в зонах теплообмена термосифонов является важной задачей для расчета их теплопередающих характеристик.
Настоящее исследование посвящено изучению влияния определяющих факторов на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева медного термосифона с внутренним диаметром dвн= 5·10–3 м и длиной 0,7 м. Длина зоны конденсации 0,21 м, а длина зоны нагрева изменялась: 0,045, 0,175 и 0,2 м. В
качестве теплоносителя использовалась вода. Коэффициент заполнения Кз, равный отношению объема, занимаемого теплоносителем Vж к объему всей зоны нагрева VЗН , составлял 0,44; 0,96 и 1,93. Зона конденсации омывалась водой с температурой 20°С и постоянным расходом 4,9·10–3 кг/с.
Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1.
При проведении эксперимента термосифон 1 устанавливался вертикально. К зоне испарения термосифона тепловой поток подводился с помощью омического нагревателя 2, подключенного к лабора-
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 30 –
МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
торному трансформатору 4 через стабилизатор напряжения 5. Контроль величины тепловой нагрузки
осуществлялся с помощью ваттметра 3. Температура по всей длине термосифона измерялась с помощью медь-константановых термопар, которые были припаяны к внешней стенке термосифона. Сигнал от термопар 8 подавался на аналогово-цифровой преобразователь 6 и далее на персональный
компьютер 7. Система опроса показаний термопар позволяла фиксировать температуру в реальном
времени с частотой 1 Гц.
Отвод теплоты в верхней части тер12
11
9
мосифона осуществлялся с помощью конденсатора типа «труба в трубе» 9. Зона
конденсации омывалась водой с фиксироt
t
ванным расходом G, который поддерживался постоянным с помощью напорного
t
бака
12 и контролировался ротаметром 11.
220В
СН
Температура воды на входе в конденсаt
t
тор и на выходе из него измерялась двумя
8
7
10
медь-костантановыми термопарами 10.
t
Температура воды на входе в конденса5
4
2
тор во время эксперимента поддержива1
t
3
лась постоянной с точностью ±0,5°С с
помощью электронагревателя 2. По покаt
АЦП
заниям термопар 10 (tвх, tвых), ротаметра
W
СН
220В
t
11 (G) и при известной удельной теплоt
6
емкости воды Ср рассчитывался реальный
отводимый термосифоном тепловой поток
QОТВ = CP ⋅ G[ tвых (τ) − tвх (τ)] ,
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
где tвых ( τ) , tвх (τ) — средние во времени
1 – термосифон; 2 – омический нагреватель; 3 – ваттметр; 4 –
температуры выходящей и входящей воды
лабораторный автотрансформатор; 5 – стабилизатор напряжения; 6 – аналогово-цифровой преобразователь; 7 – персональв конденсаторе при установившемся реный компьютер; 8 – медь-костантановые термопары для конжиме теплопередачи в термосифоне.
троля температуры термосифона (8 шт.); 9 – конденсатор типа
Поскольку средняя температура в
«труба в трубе»; 10 – медь-костантановые термопары охлаждазоне транспорта практически соответствующей воды (2 шт.); 11 – ротаметр; 12 – напорный бак
ет температуре насыщения в термосифоне,
то по известным значениям средних температур в зонах испарения tЗИ , транспорта tЗТ и величине реально передаваемого теплового потока рассчитывались средние значения коэффициента теплоотдачи
в зоне нагрева
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
α ЗН =
(t
QОТВ
ЗН
)
− tЗТ FЗН
=
(t
qЗН
ЗН
− tЗТ
)
.
Проведенные исследования показали, что, как было отмечено и в [5], начало эффективной работы термосифона наступало не сразу после включения тепловой нагрузки. После подачи теплового
потока температура в зоне нагрева начинала монотонно возрастать до некоторого значения, при котором возникал первый центр парообразования.
Сейчас общепризнано, что причиной появления зародышей паровой фазы являются флуктуации плотности, которые вызваны беспорядочным тепловым движением молекул в жидкости. Молекулярно-кинетический подход к образованию паровой фазы [7, 8] основывается на предположении,
что в жидкости существуют молекулы с разным энергетическим потенциалом. Некоторое количество
молекул имеют энергию, значительно превышающую средний уровень. При столкновении таких молекул с теми, которые имеют меньшую энергию, происходит образование более крупных молекул,
которые в дальнейшем способны присоединять другие менее активные молекулы. Энергия такого
молекулярного образования повышается до некоторого критического уровня, и этот сгусток молекул
переходит в состояние неустойчивого равновесия, которое может нарушиться в результате присоединения либо отдельной молекулы, либо при соударении с другой группой молекул. При подводе тепловой энергии к системе такое образование может играть роль зародыша паровой фазы. Преодолевая
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 31 –
МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
а,Вт/м2К
Температура, 0С
некий энергетический барьер, система из неустойчивого равновесия переходит в устойчивое. Этот
переход происходит за очень короткий промежуток времени и носит взрывной характер.
В [6] показано, что до момента активации первых центров парообразования (режим конвекции)
тепловая энергия в термосифоне практически не передается. При этом температура в зоне нагрева
монотонно возрастает до значений, которые в некоторых случаях превышают допустимую для объекта охлаждения. Теплоноситель перегревается относительно температуры насыщения и переходит в
область метастабильного (неустойчивого) состояния [9]. При достижении некоторого температурного
уровня, связанного с родом жидкости и состоянием поверхности теплообмена, происходит возникновение первых паровых пузырей, что приводит к резкому снижению температуры в зоне нагрева и
росту температуры в зоне конденсации.
Если рассмотреть изменение коэффициента теплоотдачи во времени совместно с температурным режимом термосифона (рис. 2), то можно увидеть, что при монотонном росте температуры в зоне нагрева вплоть до первого резкого
60
а
падения температуры, интенсивность
1
50
передачи тепловой энергии была прак40
2
тически нулевой.
30
При активации первого парового
20
пузыря, что соответствовало падению
10Вт
20Вт
3
10
температуры в зоне нагрева (линия 1),
интенсивность теплоотдачи резко воз0
0
100
200
300
400
500
растала, достигая почти 3000 Вт/м2К.
Время,с
Температура в зонах транспорта и кон3000
денсации при этом скачком увеличиваб
2500
лась. Такие же изменения температуры и
2000
интенсивности теплоотдачи наблюда1500
лись при каждом выбросе парожидкост1000
ной смеси в зону конденсации. Усред500
ненные по времени коэффициенты теплоотдачи αзи имели более низкие значе0
0
100
200
300
400
500
ния,
чем в пиковых режимах.
Время, с
На рис. 3 показано влияние коэффициента заполнения Кз на интенсивРис. 2. Совмещенные зависимости температуры стенки термосифона (а) и коэффициентов теплоотдачи в зоне нагрева
ность теплоотдачи в зоне испарения
(б) от времени при изменении теплового потока (Кз=0,44)
термосифона. Из рисунка видно, что чем
Средние температуры: 1 – зоны нагрева; 2 – зоны транспорта;
меньше Кз , тем выше αЗН. Это связано
3 – зоны конденсации
с тем, что на оголенной от теплоноситеКз=0,96
10,0
Кз=1,93
Кз=0,44
Кз=0,96
Кз=1,93
-0,61
Кз=0,44
азн /Кз
2
азн ,кВт/м К
10
1
1,0
0,1
1
10 2
qзн,кВт/м
100
0,1
1
10
qзн,кВт/м
Рис. 3. Зависимость интенсивности теплоотдачи
в зоне испарения от теплового потока при различных степенях заполнения (внутренний диаметр 5 мм)
2
Рис. 4. Обобщение экспериментальных
данных в зоне нагрева двухфазного термосифона с dвн= 5·10–3 м
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 32 –
100
МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
ля стенке зоны испарения увеличивается интенсивность теплоотдачи благодаря тонкому слою стекающего конденсата, а, как известно [10], в тонких пленках интенсивность теплоотдачи намного выше, чем в большом объеме.
В результате обобщения экспериментальных данных была получена зависимость αЗН=f(qзн)
− 0,61
⎛V ⎞
α ЗН = 0, 073 ⋅ q ⎜ ж ⎟
,
⎝ VЗН ⎠
которая (рис. 4) обобщает экспериментальные данные по интенсивности теплоотдачи в зоне испарения термосифона с dвн=5·10–3 м и длиной 0,7 м и справедлива в диапазоне тепловых потоков от 3 до
70 кВт/м2 при вертикальном его расположении.
Следует также учитывать, что количество теплоносителя Кз влияет и на максимальные передаваемые тепловые потоки термосифоном.
0,88
ЗН
Таким образом, проведенное исследование показало, что интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева термосифона можно рассчитать при условии определения всех влияющих факторов. К одним из
основных факторов можно отнести коэффициент заполнения термосифона. Полученная зависимость
позволяет определить коэффициенты теплоотдачи в зоне нагрева, несмотря на то, что характер передачи тепловой энергии происходит в виде периодических температурных изменений.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Безродный М. К., Волков С. С., Мокляк В. Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике.– Киев: Вища школа, 1991.
2. Безродный М. К., Пиоро И. Л., Костюк Т. О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика.– Киев: Факт, 2005.
3. Свириденко И. И. Расчетное моделирование аварийного расхолаживания ВВЭР-1000 автономной термосифонной СПОТ // В Зб. Науков. праць СНУЯЕ та П.– Севастополь: СНУЯЕтаП, 2006.– Вып. 17.– С. 29–41.
4. Khazaee I., Hosseini R., Noie S. H. Experimental investigation of effective parameters and correlation of geyser boiling in a two-phase closed thermosyphon // Applied Thermal Engineering.– 2010.– Vol. 30.– N 5.– Р. 406 – 412.
5. Кравец В. Ю., Письменный Е. Н., Коньшин В. И. Пульсационные явления в закрытых двухфазных термосифонах // Збірник наук. праць СНУЯЕ та П.– Севастополь.– 2009.– Вып. 4(32) – С. 39 – 46.
6. Кравец В. Ю., Письменный Е. Н., Коньшин В. И., Бехмард Голамреза. Влияние режимных факторов на
теплопередающие характеристики двухфазных термосифонов // Збірник наук. праць СНУЯЕ та П.– Севастополь.– 2010.– Вып. 4(36) – С. 41 – 49.
7. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей.– Москва: Наука,1975.
8. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung.– Dresden und Leipzig, 1938.
9. Кисина В. И., Тарасова Н. В. Границы и стадии поверхностного кипения воды // Теплоэнергетика.–
2010.– № 3.– С. 9 – 22.
10. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении.– Киев: Наук. думка, 1980.
___________
V. Yu. Kravets, V. I. Konshin, E. N. Pismenniy
Heat-transfer intensity in the heating area of a two-phase thermosyphon.
This article represents data on heat-transfer coefficients in the heating area of a closed two-phase
thermosyphon with inner diameter 5 mm, total length 700 mm. The effect of geometrical and
operational parameters on the heat-transfer characteristics of the thermosyphons are shown.
Кeywords: thermosyphon, heat-transfer coefficient, heating area.
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 33 –